JP2007286043A - 回折格子を備えるスペクトル分析ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】格子を備えるスペクトル分析ユニットの回折効率を低コストで大幅に高めること。
【解決手段】本発明のスペクトル分析ユニットでは、ある波長範囲を有する平行な光束（１０）が、回折格子（１）に入射して異なる波長が回折によって第１の方向にスペクトル分割され、スペクトル分割された非循環の１次回折光束（１１）が形成され、回折格子（１）によって光束が第２の方向に向けられ非循環の０次回折光束（１２）が形成される。非循環の０次回折光束（１２）は、偏向ミラー（４、５、６）により回折格子（１）に入射し、第１の循環からの１次回折光束（１３）と、第１の循環からの０次回折光束（１４）とが発生可能となるように方向付けされ、それぞれの波長範囲部分の該非循環の１次回折光束（１１）と、該第１の循環からの１次回折光束（１３）とが光学系（２）によって検出器列（８）のそれぞれの個別素子（７）に結像され、発生したスペクトルを情報として収集して表示する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ある波長範囲を有する平行な光束が、回折格子に入射して異なる波長が回折によって第１の方向にスペクトル分割され、この光束を非循環の１次回折光束と称し、この回折格子によって光束が第２の方向に向けられ、この光束を非循環の０次回折光束と称し、さらにこのスペクトル分割された非循環の１次回折光束の波長部分範囲は光学系によって検出器列上に合焦可能であり、評価エレクトロニクスが、発生したスペクトルを情報として収集し表示する検出器列に接続されている、回折格子を備えるスペクトル分析ユニットに関する。このスペクトル・ユニットはあらゆるスペクトロメータで利用される。しかしこのユニットは特に、共焦点レーザ顕微鏡（ＬＳＭ）において蛍光のスペクトル分割検出のための測定装置として使用される（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。

回折格子を備えるスペクトル・ユニットは、原理的にポリクロメータのように構成される。試料から放射された広帯域光は、分散素子によってスペクトル分解され、その後、検出ユニットによって測定され、評価される。分散素子としては、主として回折格子が使用される。回折格子は、原理上、等間隔の線を有する平坦な平面格子と、好ましくはホログラム構造で製造される結像格子とに区分される。

平坦な平面格子の場合は、光源と格子の間にコリメーション光学系が、また格子とスペクトルの間に合焦光学系が必要である。これらの光学系はレンズまたはミラーでよい。通常は回折格子の１次回折スペクトルは、合焦光学系によって検出ユニットの受光部に結像される。その際の問題は、回折格子の回折効率が、波長、格子定数、格子材料、および輪郭形状に応じて極めて明確に変化すること、すなわち全透過が物理的な条件によって大きく制限されることである。

特に、格子定数（ｇ）が低い場合、ｇが波長の大きさ以下ならば、さらに偏向作用が生ずる。偏向作用は、強度に応じたＴＥまたはＴＭ偏向の強い分割を生じ、それによって回折効率は少なくともスペクトルの周辺領域で大幅に低下する。

機械的に製造されたブレーズ格子の場合は、所望の特定の波長で可能な最大の回折効率が達成され、あるいは回折効率の低下が補償されるように格子側面のブレーズ角を定めることが通例である。スペクトル範囲が広いほど回折効率の低下も大きくなる。

この問題を回避する公知の方法は、エシェル・システムを使用することである（例えば、特許文献３参照）。この場合は、回折次数が極めて高い平面格子が使用され、先ず全てがブレーズ角の近傍で作用する、短い重複するスペクトル範囲が発生する。スペクトルを横方向に分離するために、システムに格子の分散方向に対して垂直に作用するプリズムが付加される。それによって互いに横方向に重なる次数の列が得られる。この方法を用いる前提条件は、もちろん平面受光部を使用することである。

回折効率のスペクトル変動の原因は、格子の電磁敵挙動が、光の多少とも大きな部分を所望の１次回折とは異なる回折次数で回折することにあり、それによってこの光は失われ、しかも迷光の問題さえも生じる。特に、１次より高い別の回折次数、および０次未満の回折次数が物理的に発生し得ない場合は特に、０次回折でのエネルギーの大部分が失われてしまう。
独国特許出願公開第１９７０２７５３号明細書 独国特許出願公開第１０１５１２１７号明細書 欧州特許第４４２５９６号明細書

本発明の目的は、格子を備えるスペクトル分析ユニットの回折効率を低コストで大幅に高めることにある。

上記の目的は、請求項１に記載の特徴を有する冒頭に記載の種類の格子を備えるスペクトル分析ユニットで達成される。
従属請求項２から１３は、主請求項の有利な実施形態である。

本発明は、格子での回折の際に発生する０次回折のエネルギーが例えば散乱または吸収による場合のように「失われる」ことがなく、スペクトル・ユニット内で再び結合され、少なくとももう一度だけ回折させることができることに基づくものである。その際に、このように繰り返し通過した後に、１次回折でのある成分、および０次回折での一定の残り部分が生ずる。それが再び結合され、再び回折される。理論上はこのループはしばしば「無限」に循環され、達成される回折効率は、それぞれの色の当初の０次回折と１次回折の総計へと収斂される。したがって０次回折と１次回折しか存在しない場合は、吸収損までの全スペクトル範囲にわたって理想的な回折効率が達成されるはずである。この方法は、回折格子、ミラー、および合焦光学系の可能な最大の大きさによってのみ制限される。特に光束の直径が中程度である場合は、比較的高いサイクル数を実現することができる。さらに、この構成の利点は、既存のポリクロメータ構造に後から比較的簡単に組み込むことができることにある。

次に図を参照して本発明を説明する。

図１は、回折格子と２つの偏向ミラーとを備えるスペクトル分析ユニットの構造を概略的に示している。
ほぼ平行な入射光束１０が、回折格子１に当たる。この光束は、回折格子１が対応する寸法設定である場合、１次回折光束１１へとスペクトル回折され、かつ、０次回折光束１２へと分割される。１次回折光束１１は、光学系２としての合焦ミラーに当たり、列受光器３の検出器列８上に、列の広がる方向に沿って集中される。検出器列８はＣＣＤ個別素子７からなっている。列の広がる方向では１次回折光束のスペクトル分割が検出される。

回折格子１には、第１の偏向ミラー４が、０次回折光束１２が入射光束１０の方向に反射するように偏向配置される。入射光束１０にできるだけ近い位置には、第２の偏向ミラー５が、０次回折光束が入射光束１０と平行に再び回折格子１に向けられるように偏向配置される。その際に０次回折光束によって照射される回折格子１の位置は、入射光束１０の位置に対してａ_１だけｘ方向にシフトされる。そこで０次回折光束１２は入射光束１０と同じ条件で回折される。その際に再び生じた０次回折は、２つの偏向ミラー４および５を介して再度上方にシフトされて結合され、間隔ａ_２を隔てて格子に達する。０次回折光束１６のさらに別の循環が、間隔ａ_３を隔てて格子に達する。かなりの効率上昇を達成するのに、一般に上記のような３回のサイクル、この場合は０次回折光束１２、１４、および１６によるサイクルを実現するだけで充分である。例えば、３回目の循環１８からの０次回折光束は、無視できるほどなので利用されない。

１次回折光束の同じ波長１１、１３、１５、および１７は全て光学系２によって検出器列８のそれぞれのポイントに結像されるので、検出器列８の線はスペクトル曲線を再現する。例えば波長λ１、λ２、およびλ３である、ある波長を割り当てられた１次回折光束は、検出器列８のそれぞれの位置に当たる。検出器列８は大きさが有限の個別素子７からなっているので、１ｍｍよりもやや短い個別受光器７の幅ｂで約１０ｎｍの波長範囲が受光される。この例では、幅が３２ｎｍの検出器列８に３２個の個別受光器７が配置されている。個別受光器の高さｈは１０ｎｍである。測定される波長範囲は３８０ｎｍと７８０ｎｍの間である。

この方法が最適に動作するには、回折格子１の輪郭形状を、偽の回折光次数として可能な限り０次回折だけが生じるように設計しなければならない。これは、格子の最大ブレーズを短波領域にずらすことによって達成される。機械的な三角形の形状の場合は、それはフランク角がより平坦になることを意味している。例えば、５００ｎｍで７０％が１次回折で回折し、残りの３０％が０次回折で回折する回折格子の場合、以下の挙動が生ずる。

− １サイクル後の強度＝７０％（初期状態）（３０％が０次回折に留まる）
− ２サイクル後の強度＝７０％＋７０％×３０％＝９１％（９％が０次回折に留まる）
− ３サイクル後の強度＝９１％＋７０％×９％＝９７．３％（２．７％が０次回折に留まる）
この試算では吸収損は無視できるので考慮に入れられない。

図２は、入射光束１０と１次回折の回折光束１１、１３、１５、１７とが平坦面に位置する、図１に記載の構成を示している。０次回折光束１２、１４および１６は、入射光束１０の下の第１の偏向ミラー４を通って偏向される。第２の偏向ミラー５が、この０次回折光束を１次回折光束と平行に再び回折格子１に向ける。

図３は、基準系の軸の位置を図示するために図２の一部を示している。
座標原点は回折格子１の頂点にあり、正のＺ軸は延長された入射光束１０の方向を示す。構成素子の移動もしくは傾動の順序は以下のとおりである。

−ｘ、ｙおよびｚ方向への移動の実施
−それぞれの平面に固有のＸ軸の周りでの回転（アルファ角）
−それぞれの平面に固有のＹ軸の周りでの回転（ベータ角）
−それぞれの平面に固有のＺ軸の周りでの回転（ガンマ角）

本発明によって３８０ｎｍ〜７００ｎｍのスペクトル範囲を検出することが可能になる。その際のスペクトル長は３１．２ｎｍである。入射光束１０の直径は３．０ｍｍであり、格子線の数は１３００本の線／ｍｍで規定される。

０次回折光束のＸ方向へのずれは、循環ごとに５．０ｍｍである。
第１の偏向ミラー４および第２の偏向ミラー５は平面ミラーであり、光学系２は半径が１５１．０ｍｍ（ｃｃ）のミラーである。

図４は、図１に示された構成のｘ−ｚ平面におけるさらに別の図である。この図の平面は分散面に対して垂直である。０次回折光束１２、１４、１６は、ｘ方向にずれて回折格子１の互いに異なる位置に当たる。

図５はアルミニウム内に１３０２本の線を有する線格子を備える公知の簡単な構成の回折効率を波長の関数として示している。入射光束から生じる１次回折光束１１は約５３０ｎｍのスペクトル範囲内でほぼ８０％の最大強度に達し、両側で絶えずほぼ４０％まで低下する。対応する曲線は１１で示されている。

この図はさらに、０次回折光束の再結合の回数の増大と共に、効率上昇のさらなる高まりが達成されることを示している。入射光束からの１次回折光束１１の強度に、第１の循環からの１次回折光束１３の強度が、またさらに別の循環からの光束１５および１７の強度がそれに付加される。その結果として得られる対応する曲線は１１、１３、１５、および１７で示されている。

図６は、回折格子と独自の偏向ミラーとを備えるスペクトル分析ユニットを概略的に示している。
この場合は、入射光束１０はｙ軸の周りで軽く傾いて回折格子１に入射し、その際に回折格子１と偏向ミラー４は好ましくは互いに平行である。０次回折光束は、この場合は偏向ミラー４がある図面の平面の下で回折格子１に再反射される。

図７は、回折格子と３つの偏向ミラー４、５、および６とを備えるスペクトル分析ユニットを概略的に示している。しかし３つ以上の偏向ミラーを使用することも可能である。
図８は、回折格子と２つの偏向ミラーと、光学系２としての集光レンズとを備える、図１に対応するスペクトル分析ユニットを示している。

図９は、測定装置として本発明によるスペクトル分析ユニット１００を備える共焦点レーザ走査顕微鏡の概略的な構成を示している。スペクトル分析ユニット１００の構造は図７に示された構成と対応する。

光源２０から出た光線束は、主ビームスプリッタ２１、ｘ−ｙスキャナ２２、走査光学系２３、鏡筒レンズ２５、および対物レンズ２６を経て試料２７に達する。
試料２７から出た光束は、対物レンズ２６、鏡筒レンズ２５、走査光学系２３、ｘ−ｙスキャナ２２、主ビームスプリッタ２１およびピンホール光学系２８、ピンホール２９、コリメーション光学系３０、およびエミッション・フィルタ３１を経て回折格子１に達する。

走査光学系２３と鏡筒レンズ２５の間には中間像２４が生ずる。本発明によるスペクトル分析ユニットによって、スペクトル測定の際に４０％以上までの光収率の増大が比較的低コストで達成可能である。

その際、補足的な偏向装置および補足的光路のためのスペースの必要性はわずかである。
さらに、本発明を既存のレーザ走査顕微鏡やその他の分光測定機器に組み込むことができることも特に有利である。

図１０に従って、０次回折光束１２、１４、１６が各循環後に回折格子１の同じ位置に当たるように、第２の偏向ミラー５を回転させることも可能である。この場合はもちろん、格子の分散方向に対して斜めのオフプレーン角が生じ、それによって個々の循環でのスペクトル焦点位置が列受光器３のそれぞれ異なる横方向高さｈに生ずる。受光器の高さｈが所定の充分な高さである場合は、それぞれの個別素子７によって、異なる循環からのスペクトル分割された全ての１次回折光束１１、１３、１５、１７の波長範囲が捕捉される。

図１１は、回折格子１と偏向装置がユニットを形成する、スペクトル分析ユニットを示している。プリズム様の本体（プリズム部４０）は、入射光束１０用の入射面４１と、１次回折光束１１、１３、１５、１７用の出射面４４とを含んでいる。２つの側壁は鏡面コーティングされ、ミラー面４１と４２共に偏向装置を形成する。回折格子１は、プリズム部４０の底面に配置される。

回折格子と２つの偏向ミラーと焦点ミラーとを備えるスペクトル分析ユニットを示す図。 図１に示した構成の、回折格子の分散面の図。 偏向ミラーの位置を示すための図２の部分図。 図１の構成の側面図。 ０次回折の再結合を伴う本発明の構成の効率を示すグラフ。 回折格子と偏向ミラーとを備えるスペクトル分析ユニットの図。 回折格子と３つの偏向ミラーとを備えるスペクトル分析ユニットの図。 回折格子と２つの偏向ミラーと集光レンズとを備えるスペクトル分析ユニットの図。 測定装置として本発明によるスペクトル分析ユニットを備える共焦点レーザ走査顕微鏡の概略構成図。 回折格子、２つの偏向ミラーを備えるスペクトル分析ユニットの別の実施形態を示す図。 回折格子と偏向ミラーがモノリシック・ユニットを形成するスペクトル分析ユニットの図。

符号の説明

１ 回折格子（線格子）
２ 光学系（合焦ミラー、レンズ）
３ 列受光器（ＣＣＤのセンサ素子）
４ 第１の偏向ミラー（平面ミラー）
５ 第２の偏向ミラー（平面ミラー）
６ 第３の偏向ミラー（平面ミラー）
７ 個別素子
８ 検出器列
９ 評価エレクトロニクス
１０ 入射光束（平行）
１１ 非循環の１次回折光束（入射光束からの）
１２ 非循環の０次回折光束（入射光束からの）
１３ 第１の循環からの１次回折光束
１４ 第１の循環からの０次回折光束
１５ 第２の循環からの１次回折光束
１６ 第２の循環からの０次回折光束
１７ 第３の循環からの１次回折光束
１８ 第３の循環からの０次回折光束は無視できる
２０ 光源
２１ 主ビーム・スプリッタ
２２ ｘ−ｙスキャナ
２３ 走査光学系
２４ 中間像
２５ 鏡筒レンズ
２６ 対物レンズ
２７ 試料
２８ ピンホール光学系
２９ ピンホール
３０ コリメーション光学系
３１ エミッション・フィルタ
４０ プリズム部
４１ 入射面
４２ ミラー面
４３ ミラー面
４４ 出射面
１００ スペクトル分析ユニット
１０１ 共焦点レーザ走査顕微鏡
ａ ０次回折光束の入射光束からの間隔
α 入射光束に対する０次回折光束の角度
ｈ 個別受光器の高さ、検出器列の高さ
ｂ 個別受光器の幅
ｄ 検出器列の幅
ｎ 個別受光器の個数

Claims (13)

1. ある波長範囲を有する平行な光束（１０）が、回折格子（１）に入射して異なる波長が回折によって第１の方向にスペクトル分割され、該光束を非循環の１次回折光束（１１）と称し、該回折格子（１）によって光束が第２の方向に向けられ、該光束を非循環の０次回折光束（１２）と称し、さらに該スペクトル分割された非循環の１次回折光束（１１）の波長部分範囲は光学系（２）によって検出器列（３）上に合焦可能であり、評価エレクトロニクス（９）が、発生したスペクトルを情報として収集し表示する検出器列（８）に接続されている、回折格子を備えるスペクトル分析ユニットであって、
   該非循環の０次回折光束（１２）は、該光束が該回折格子（１）に入射し、第１の循環からの１次回折光束（１３）と、第１の循環からの０次回折光束（１４）とが発生可能となるように方向付け、かつ位置決めされている偏向装置（４、５、６）に当たり、それぞれの波長部分範囲の該非循環の１次回折光束（１１）および該第１の循環からの１次回折光束（１３）が、該光学系（２）によって該検出器列（８）のそれぞれの個別素子（７）上に結像可能であることを特徴とするスペクトル分析ユニット。
2. 前記反射した０次回折光束は、前記入射した光束（１０）と同じ角度であるが、該入射光束（１０）に対してＸ方向の間隔（ａ）を隔てて前記回折格子（１）に入射することを特徴とする請求項１に記載の回折格子を備えるスペクトル分析ユニット。
3. 前記反射した０次回折光束は、前記入射光束（１０）と、別の角度（α）であるが同じ位置で前記回折格子（１）に入射することを特徴とする請求項１に記載の回折格子を備えるスペクトル分析ユニット。
4. 前記第１の循環からの前記０次１次回折光束（１４）が、前記偏向装置（４、５、６）に当たり、さらに前記回折格子（１）に入射し、前記第２の循環からの１次回折光束（１５）と、前記第２の循環からの０次回折光束（１６）とが発生可能であり、それぞれの波長部分範囲の前記非循環の１次回折光束、前記第２の循環からの前記１次回折光束（１３）および前記第２の循環からの１次回折光束が、前記光学系（２）によって前記検出器列（８）のそれぞれの個別素子（７）上に結像可能であることを特徴とする請求項１に記載の回折格子を備えるスペクトル分析ユニット。
5. 第２の循環からの前記０次回折光束（１６）と、さらに別の循環からの０次回折光束（１８）とが前記偏向装置に当たり、前記回折格子（１）で反射され、スペクトル分割されることを特徴とする請求項４に記載の回折格子を備えるスペクトル分析ユニット。
6. 前記反射した０次回折光束（１２、１４、１６）は、前記入射光束（１０）と同じ角度であるが、該入射光束（１０）に対してＸ方向に間隔（ａ_１、ａ_２、ａ_３）だけずれて前記回折格子（１）に入射することを特徴とする請求項５に記載の回折格子を備えるスペクトル分析ユニット。
7. 前記反射した０次回折光束（１２、１４、１６）は、前記入射光束（１０）と、異なる角度（α_１、α_２、α_３）であるが同じ位置で前記回折格子（１）に入射し、ある波長部分範囲の全ての１次回折光束（１１、１３、１５、１７）が、前記検出器列（８）の幅（ｄ）に対して垂直方向にずれてそれぞれの検出器列（８）上に結像可能であり、前記個別素子（７）の高さ（ｈ）が、ある波長部分範囲の全ての１次回折光束（１１、１３、１５、１７）が検出可能であるような寸法であることを特徴とする請求項５に記載の回折格子を備えるスペクトル分析ユニット。
8. 前記偏向装置が、前記回折格子（１）から回折した０次回折光束（１２、１４、１６、．．．）を反射後に再び該回折格子（１）に向ける第１の偏向ミラー（４）であることを特徴とする請求項１に記載の回折格子を備えるスペクトル分析ユニット。
9. 前記偏向装置が、前記回折格子（１）から回折した０次回折光束（１２、１４、１６、．．．）を２度の反射後に再び該回折格子（１）に向ける第１の偏向ミラー（４））と第２の偏向ミラー（５）の組合せであることを特徴とする請求項１に記載の回折格子を備えるスペクトル分析ユニット。
10. 前記偏向装置が２つ以上の偏向ミラーの組合せであることを特徴とする請求項１に記載の回折格子を備えるスペクトル分析ユニット。
11. 前記偏向装置が、前記回折格子（１）の分散面に対して垂直な少なくとも４つの光学作用面を備えるプリズム部（４０）であり、該回折格子（１）が光入射面（４１）に対向し、該回折格子（１）が該プリズム部（４０）内に設置され、さらに前記１次回折光束用の光出射面（４４）と、前記０次回折光束の反射用の少なくとも１つのミラー面（４２、４３）とが備えられていることを特徴とする請求項１に記載の回折格子を備えるスペクトル分析ユニット。
12. 前記光学系（２）が合焦ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の回折格子を備えるスペクトル分析ユニット。
13. 前記光学系（２）が集束レンズであることを特徴とする請求項１に記載の回折格子を備えるスペクトル分析ユニット。